加筋板裂纹扩展的概率模型及在船体结构疲劳可靠性分析中的应用研究

With respect to the application of the fracture mechanics in the fatigue assessment of ship structures and the inherent uncertainty of the fatigue issue, the probabilistic model of the growth of cracks in a stiffened panel is developed and its application in the fatigue reliability of the ship structures is investigated through the combination of the fracture mechanics and the probabilistic method. First, the probabilistc model of the growth of cracks in a stiffend panel under different loading modes (axial,lateral and combined loading mode)is developed based on Paris equation by the test of the crack growth in stiffened panel and the uncertainty of the parameters related to crack growth. Then, based on the probabilistic model of the growth of cracks in stiffened panel and the uncertainty of the critical crack size in stiffened panel, a fatigue reliability formulation for cracks growth in the stiffened panel is developed and the reliability index is obtained. Finally, basd on the loading mode of ship strucutures, the corresponding probabilistic model of the growth of cracks in stiffened panel is chosen to represent the ship hull. The statistical descriptor of the cross-sectional modulus of the ship is calculated. The fatigue reliability formulation for the ship hull is developed accounting for the uncertainty of the critical cross-sectional modulus of the ship. The reliability index is obtained.

考虑到断裂力学方法在船舶结构疲劳强度评估中的应用前景以及疲劳问题本身的内在不确定性，本项目将断裂力学方法与概率统计分析相结合，研究建立加筋板裂纹扩展的概率模型，并对其在船体结构疲劳可靠性分析中的应用进行研究。首先通过对加筋板裂纹扩展的实验和裂纹扩展参数的不确定性因素的研究，以Paris裂纹扩展模型为基础，建立不同载荷模式下（轴向载荷、横向载荷、组合载荷）的船体加筋板裂纹扩展概率模型。进而基于船体加筋板裂纹扩展的概率模型，计及加筋板临界裂纹尺寸的不确定性，建立加筋板疲劳可靠性分析格式，进行疲劳可靠性指标的计算。最后，采用所建立的不同载荷模式下的裂纹扩展概率模型，根据船体不同部位所对应的不同载荷模式，选取适合的裂纹扩展概模型，计算船体梁剖面模数的统计值（均值和方差），结合船体梁的临界剖面模数的不确定性，建立基于船体结构实际载荷模式的疲劳可靠性分析格式，并进行可靠性指标计算。

断裂力学方法在船体结构疲劳强度评估中具有广泛的应用前景。基于断裂力学的船体结构疲劳强度评估重点关注含有初始缺陷船体结构的疲劳裂纹扩展寿命预报分析。与传统S-N曲线方法将完整结构裂纹萌生寿命作为疲劳寿命的评估思想相比，这种评估方法更加符合船舶结构实际作业中的真实破坏模式。同时也可为船舶服役期间结构的检测维修提供有价值的数据参考，有效提高船舶运营维护的经济性。进一步考虑疲劳断裂中的不确定因素，研究以断裂力学和概率统计为基础的船体结构疲劳可靠性评估方法具有重要意义。.本项目从船用材料和加筋板结构疲劳裂纹扩展速率试验入手，研究加筋板结构裂纹扩展的内在规律，结合有限元数值计算方法和概率统计分析理论，给出不同载荷作用下船体加筋板结构裂纹扩展的概率模型，并以此为基础，建立了基于断裂力学的船体加筋板和船体梁结构疲劳可靠性分析方法。主要内容如下：.首先，开展了材料的疲劳裂纹扩展试验，得到船用Q235钢的疲劳裂纹扩展参数，并提出了一种适用范围广、操作办法灵活的疲劳裂纹记录方法。在此基础上，进行了拉伸载荷、弯曲载荷以及组合载荷作用下，船体加筋板结构的疲劳裂纹扩展试验研究，得到了不同载荷作用下加筋板疲劳裂纹扩展规律，并形成了一整套从试样设计可行性验证到试验方案具体化实施；从裂纹长度监测到裂纹扩展速率结果分析的系统方法。进而，基于Paris裂纹扩展速率公式，结合有限元数值分析得到的裂纹尖端应力强度因子以及裂纹扩展几何修正系数，计及裂纹扩展参数等不确定因素的影响，分别建立拉伸载荷、弯曲载荷以及组合载荷作用下船体加筋板结构疲劳裂纹扩展的概率模型及相应的加筋板疲劳可靠性分析格式。最后，将船体梁离散为若干加筋板结构，并计及加筋板裂纹扩展对船体梁剖面的影响，建立了基于船体梁结构有效剖面模数的船体结构疲劳可靠性分析极限状态方程，考虑船体梁中各个加筋板的不同载荷模式，给出了船体梁结构疲劳可靠性分析方法。